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007.15分钟听完《生命是什么》薛定谔如何用物理学预言生命奥秘

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埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)的著作《生命是什么》是二十世纪科学领域的一部伟大经典,旨在从物理学和化学的角度探讨生命的本质现象。

摘要

本书的核心在于用物理学和化学的原理来解释生命现象,特别是 遗传现象的物理基础。作者是诺贝尔奖获得者,他从物理学家的视角出发,提出了两个革命性的概念来解释生命的奇迹。

首先,他提出遗传物质(即基因)的结构并非普通的周期性晶体,而必须是一种 复杂的、高度有序的“非周期性固体”(或晶体),这种微观结构能够在一个微小的空间内压缩和承载巨大的遗传信息,相当于一个“微型密码本”。其次,为了解决生命体如何克服热力学第二定律的倾向(即趋向无序和死亡),他引入了 “以负熵为生”(或“摄取序”) 的观点,即生物体通过从环境中不断抽取“序”(即“负熵”)来维持自身的高度组织和低熵水平,从而避免达到热力学平衡(死亡)。本书的第二部分还讨论了意识的物质基础、决定论与自由意志等哲学议题。

背景

本书作者埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger,1887-1961)是奥地利著名的物理学家,他因提出量子力学的标准形式—— 波动学说 而获得诺贝尔奖。

《生命是什么》的内容来源于他于1943年在爱尔兰都柏林三一学院发表的一系列公开演讲。薛定谔撰写此书的目的,是在他转向生命科学研究时,为当时新兴的分子生物学领域奠定概念上的基础。这本书的独特之处在于,它将生命的稳定性问题转化为了一个物理学问题,即在倾向于混乱的世界中,微小的分子如何能够保持有序和持久性,这为随后的生物学实验指明了方向。

核心议题

薛定谔在书中主要探讨了几个物理学与生物学交叉的核心问题:

1. 遗传持久性与物理学矛盾: 基因作为遗传机制的物质载体,其 惊人持久性 (能保持几百年的不变性)如何用物理学规律来解释。传统的经典物理学中的统计力学定律,依赖于大量原子的介入,其精确性具有统计学的限制,而生命的遗传现象似乎超出了这种限制。

2. 生命体的秩序维持: 有机体如何能够 保持高度的组织和秩序,从而避免向着热力学平衡(无序和死亡)的自然倾向。

3. 突变的不连续性: 如何从物理学的角度解释遗传特征的 不连续性变化(突变),这与量子理论中的 量子跃迁 现象有何联系。

4. 生命中的新物理学定律: 生命体的宏观活动为什么需要精确的物理学定律来保证,以及有机体中是否可能存在 新的物理学定律

5. 意识与决定论: 意识、决定论与自由意志等哲学观点的物质基础探讨。

薛定谔提出了以下三大核心理论来回答上述问题:

1. 非周期性晶体作为遗传载体: 基因不是简单重复的 周期性晶体,而是高度有序、复杂的“非周期性固体”。他认为,这种非周期性的复杂结构是唯一的结构,能够将指导个体发育和功能的 大量遗传信息(微型密码) 压缩在一个极小的空间内。这种结构承载的信息量远超普通晶体。

2. 量子力学解释基因的持久性: 基因结构的微观持久性无法用经典物理学的统计定律来解释,必须引入 量子力学。基因的稳定状态对应于分子不连续的能级状态,而 突变 则是原子或分子从一个稳定的能级 跃迁 到另一个能级的表现,是一种不连续的变化,这与 X 射线诱发突变的实验证据相符。

3. 生命以负熵为生: 为了对抗热力学第二定律(熵增),生命体通过不断从环境中 抽取“序”(即“负熵”),以维持其自身的低熵状态和高度组织。这个观点解释了生命如何能够维持在一个远离热力学平衡的状态。

结论

本书总结了生命体表现出精确、有规律和有秩序的功能的原因:

1. 秩序源于结构: 有机体之所以能够展现出精确的物理学定律和有规律的秩序功能,是因为其内部拥有 巨大的、高度有序的“多原子”结构。这种结构使得宏观上的行为表现出精确性,而非因为存在与统计学定律相矛盾的“新力”。

2. 超越统计力学的新定律: 尽管生命并不违背物理学原理,但薛定谔推测,生命的复杂有序行为可能暗示着 在有机体中存在有新的物理学定律,这些定律植根于量子论,并超越了仅依赖大量原子团的统计力学的描述范围。

启示

《生命是什么》产生了深远的科学影响和哲学启发:

1. 推动分子生物学诞生: 本书被认为是20世纪伟大的科学经典之一。它为分子生物学这个新兴领域的诞生,以及随后 沃森和克里克(Watson and Crick)发现 DNA 双螺旋结构,提供了强大的激励和概念上的推动力量。特别是关于基因是“微型密码本”和“非周期性晶体”的猜想,成为了现代遗传研究的基础。

2. 跨学科思维的典范: 它成功地将物理学(特别是量子力学和热力学)的思维方法和前沿概念引入生物学,鼓励科学家将物理学和化学的知识应用于生命现象的研究。

3. 哲学和意识的探讨: 书中对 意识的物质基础 的探讨,以及提出的 意识“单一性” 的算术悖论,超越了纯粹的科学范畴,将科学观点与古老的哲学观念(如奥义书中的“梵我同一”观念)联系起来,引发了深刻的哲学思考。

薛定谔的思考就像一座桥梁,将牛顿和玻尔兹曼时代的物理学,带向了对生命最复杂的谜团的探索。他通过将生命的稳定性和遗传信息存储问题转化为 微观物理学问题,为现代生物学指明了方向